高湿条件下空气间隙放电规律的试验研究
桃果林浩然1，牛海清1，张耿斌2，游勇1，刘毅刚2，庄小亮1
（1.华南理工大学电力学院，广州510640；2.广州供电局有限公司，广州510000）
摘要：湿度是影响电力系统外绝缘的一个重要因素，但国内外相关研究较少涉及到湿度较高的情况。笔者在人工气候室开展球间隙放电试验，研究湿度（尤其是高湿条件下）与间隙放电电压的关系。研究结果表明，在湿度较低（80%以下）条件下，空气间隙放电电压随相对湿度的增加而增加；而在湿度较高（80%以上）条件下，有无凝露对放电电压的影响较大，无凝露时随着相对湿度的增加放电电压略有下降，但在湿度较高且球表面出现凝露时，间隙放电电压严重降低，甚至降低到一半。笔者利用ANSYS计算了球表面有无凝露时的球间
隙电场分布，结果表明，凝露畸变了原有球间隙电场，使得最大场强增大到原电场的两倍，造成间隙放电电压严重降低，与气候实验室的结论一致。
关键词：湿度；空气间隙；放电电压；凝露
中图分类号：TM83文献标志码：A文章编号：1001-1609（2014）01-0087-05 Experimental Study on Air-gap Discharge Characteristics in Heavy Humidity
LIN Haora n1，NIU Ha iqi ng1，ZHANG Geng bin2，YOU Yong1，
LIU Y i gang2，ZHUANG Xiao li ang1
选择学校（1.S chool of Electric Power,S outh C hina University of Technology，Guangzhou510640，C hina；
2.Guangzhou P ower S upply B ureau,Guangdong P ower Grid Corp，Guangzhou510000，C hina）
A bs tr ac t: Disc ha rge c ha ra ct er i s ti c s o f externa l i nsula ti on o f power sys t em are s i gni f i ca nt l y i nf l ue nce d by a t mosphe r ic hum idi t y.However,t he exis ti ng rea rc he s l dom conc ern high hum idi t y condi ti on.In t his s t udy,a i r gap disc harge t es t s were carr i e d out i n ar ti f ici a l cli ma t e chambe r t o i nves ti ga t e t he re l a ti on be t ween hum idi t y （espe ci a ll y high humidi t y）a nd disc ha rge vo lt age.The resul t s show t ha t:1）t he disc ha rge vo lt age i nc rea s w it h i nc reas i ng hum idi t y whe n re l a ti ve hum idi t y i s l ess t ha n80%;2）whe n re l a ti ve humidi t y i s a bove80%t he disc harge vo lt age decreas s li ght l y w it h t he i nc rea o f humidi t y i n t he condi ti on w it hout dew,whi l e it re duces t o ha l f o f norma l va l ue i n t he c ondi ti on w it h dew.T he e l e ct r ic f i e l d i n t he a i r ga p was ca l c ula t e d by t he so f t ware A
NSYS，a nd t he resul t i ndica t es t ha t dew r i ous l y dis t or t s t he e l e ct r ic f i e l d,making t he ma xim um f i e l d s t re ng t h double d a nd resul ti ng i n a vere re duc t i on i n disc ha rge vo lt age,whic h i s cons i s t e nt w it h t he conc lus i ons drawn f rom disc harge t es t s i n t he ar ti f ici a l cli ma t e c ha mbe r.
Key wo r ds: humidi t y；a i r gap；disc harge vo lt age；dew
0引言
电力系统外绝缘以空气间隙及其界面为绝缘，受环境条件影响较大，其影响因素主要有气压、温度和湿度[1]。自20世纪60年代以来，国内外学者对大气参数对外绝缘放电的影响做了大量的研究。研究表明，气压和温度的改变都反映为空气密度的变
收稿日期：2013-07-11；修回日期：2013-08-19化，如随着海拔的升高气压和气温都会下降，相对空气密度减小。因此，一般认为大气条件从两个方面对放电造成影响，即空气密度和空气湿度[2-5]。近年来的相关研究主要侧重于覆冰、酸雨酸雾、沙尘等恶劣环境对电气设备的外绝缘，特别是对绝缘子的沿面闪络的影响[6-11]。
皮蛋粥怎么做最好吃湿度对空气间隙外绝缘放电影响的研究大多涉及到湿度不高的情况[12-18]，认为在水的电负性的
影响下，随着湿度的增加放电电压略有增大。 近年 来研究表明，在高湿条件下湿度对空气间隙外绝缘 的影响有所不同。 文[19-21]通过人工气候罐内的直 流电晕放电试验和针对电晕起始放电模型的计 算 分析，指出湿度的增加会使高场强区域内碰撞电离 增强，从而使电晕起始放电电压降低；文[22]在研究 大气参数对导线交流起晕电压影响时指出：在低湿 条件下起晕电压随湿度的增加而缓慢上升，在高湿 区域则会下降。 文[23]监测了 500 kV 架空线路区域 工频电磁场，监测结果表明：相对湿度较小时工频 电场随湿度变化不大；但在相对湿度较大(超过 80% RH )时，工频电场随环境相对湿度增加较大，最大处 超过了标准值的 20 倍以上。
广州地区地处珠三角，天气潮湿 ， 尤其 春季一 个月有一半天气处于高湿、甚至空气含水量饱和的 状态，易引发外绝缘事故。 为进一步研究湿度(尤其 是高湿)对外绝缘的影响，笔者以球间隙为试品，在 人工气候罐中改变湿度，针对低湿和高湿、球电极 表面有无凝露等不同的情况，进行了空气间隙放电 试验，研究空气间隙放电起始电压与湿度的关系。
1 间隙放电试验装置原理及方法
1.1 间隙放电试验装置
放 电 采 用 球—球 间 隙 ， 见
图 1。 电 极 为 直 径 150 mm 铜球，间距 0~150 mm 范围内可调，电场属
于稍不均匀电场。
图 1 人工气候室内的球间隙
Fig. 1 Sphere gap inartificial climatic chamb er
球间隙放置于人工气候室内，通过穿墙套管与 放置于气候室外的高电压及升压设备连接。 通过喷 雾加湿器和抽湿器对湿度进行动态调节，可使室内 湿度在 5%~100%范围内变化。
1.2 试验方法
该试验参照测量球隙试验标准[24]进行，试验接 线原理图见图 2。 试验时，保持气候罐内温度不变，
调节气候罐内的湿度达到设定值。 待气候罐内环境 均匀条件稳定后， 以不高于 3 kV/s 的速度均匀升 压，当接近放电电压值时适当减小升压速度 ，直至 间隙放电， 运用分压器及示波器记录放电电压 (峰 值)。 每次放电后应间隔 5 min ，取 5 次间隙放电试验 放电电压的平均值作为该环境条件下的间隙放 电 电压。 需要说明的是，试验过程中气候罐内气压的 变化甚微，可以忽略不计。
图 2 试验接线原理图
Fig. 2 Wiring diagram of experiment
2 间隙放电试验及分析
笔者针对不同温度(10、20、30 ℃)，分别在 50%、 70%、
80%、85%、90% 、95%相对湿度条件下， 进行了
球间隙放电试验。 需要说明的是 ， 即使人工气
候 室 湿度很高，球表面均无凝露产生。 考虑到凝露对 放电的 影响 ， 文中人 为地在球表 面滴水珠(直 径 约 为2 mm )，再进行放电试验，研究凝露对放电电压的 影响。
2.1 无凝露时球间隙放电电压与湿度的关系
无凝露时，不同温度下空气间隙放电电压随空 气相对湿度的变化规律见图 3。
图 3 无凝露时放电电压随相对湿度的变化规律
Fig. 3 Relation between discharge voltage and hu midity
without dew on electrode surface
由图 3 可以看出，在温度值分别为 10、20、30 ℃ 条件下，球间隙放电电压随相对湿度的变化趋势基 本相同。 即当温度值保持不变的条件下，球间隙放 电电压随相对湿度的变化规律为 低湿条件下(80% 以下) 随着相对湿度的增加， 间隙放电电压逐渐增 加；高湿条件下(80%以上)随着相对湿度的增加，间
隙放电电压减小，但值得注意的是高湿并不会造成放电电压严重降低。具体可将球间隙放电电压在相对湿度50%~95%的变化规律大致分成两个阶段：第1 阶段为相对湿度50%~80%，即低湿阶段。滴并进行放电试验。有凝露时放电电压试验结果见表1。
表1有凝露时放电电压试验结果
Tab. 1Test result of discharge voltage with dew
此时随着相对湿度的增加，间隙放电电压逐渐增湿度/%试验结果/k V与原值(62.8 k V)之比/%大。这是由于水分子具有电负性，易与自由电子结6036.3057.8
合形成负离子，导致游离速度降低，放电的发展被9037.6960.0
抑制，从而提高间隙放电电压。9536.9258.8
第2 阶段为相对湿度80%~95%，即高湿阶段。此阶段随着相对湿度的增加，间隙放电电压略微减小。文[25]的试验结果显示，高湿条件下，湿度对间隙放电电压的影响很小，与该试验结果不一致。据试验观察，铜球表面虽不会产生凝露，但在长时间高湿条件下铜电极表面会形成一层水膜；水膜的存在，一方面缩小了间隙距离而使放电电压减小，另一方面水膜可能不均匀而使铜球表面局部场强不均匀度增加，促进电离的发展。上述是可能导致两者结论不一致的原因。
另外，由图3 也可以看出温度对球间隙放电电压的影响作用。同一相对湿度下，温度越高，间隙放电电压越低。这是由于温度升高，空气密度下降，使空气中电子的平均自由行程增大，这样电子在碰撞电离前就能积攒足够的动能，有利于碰撞电离的产生，从而使放电电压减小。
为了进一步确认试验结果，保持温度20 ℃不变，在人工气候室内，针对不同间隙距离进行了放电试验。空气间隙分别为10、15、20 mm时间隙放电电压随空气湿度变化情况见图4。自我鉴定50字
笔者利用ANSYS电磁场计算软件对球间隙电场进行仿真计算，研究凝露对球间隙最大场强的影响。ANSYS电场计算表明，当球间隙加载20 mm 间隙放电试验的放电电压62.8 k V、表面无露珠时，球间隙的电场呈对称分布，由球电极上下两侧向中间逐渐加强，最终在球顶点位置达到最大值33.9 kV/c m。也就是说，此时该空气间隙的放电起始场强是33.9 k V/c m。
而当球间隙加载62.8 kV、电极表面有露珠时，电场分布的总体趋势不变；露珠内部电场强度微弱(类
似于导体)，但露珠周围的电场发生了畸变，即露珠的存在畸变了原电场，见图5。其最大场强增大到65.9 k V/c m(露珠半径2 mm)，远远高于无露珠时的放电起始场强33.9 kV/c m。
图4不同间距放电电压随相对湿度的变化规律
Fig.4Discharge voltage and relative hu midity at
different gap distanc e图5有露珠时球隙及露珠畸变处周围电场分布
2.2 有露珠时球间隙放电电压
试验过程中使用的铜球电极并没有发生凝露现象，这与人工气候室的温湿度调节方式平稳有关。然而在实际运行中，当湿度较高而温度骤降时，极易造成电气设备电极表面凝露。为了进一步研究凝露对空气间隙放电的影响，人为在球表面制造水
Fig.5The electric field distribution and its intensity vector of the gap and arou nd the dew
有无凝露时最大场强及放电电压计算结果和试验结果比较见表2，当空气间隙的最大场强达到其放电起始场强(33.9 kV/c m)时，间隙击穿，此时放电电压约为32.3 kV，几乎降为正常值的一半，与人
工气候室的试验结果吻合。
表2有无凝露时最大场强及放电电压计算结果和
试验结果比较
Tab.2Com parison of computation and test result of max field strength and discharge voltage when dew or not
最大场强和放电电压
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果/(kV·cm-1)结果/kV结果/kV
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无凝露33.962.8 62.8
有凝露65.932.3 36.3
文[23]对500kV架空线路区域工频电磁场的监测结果表明：相对湿度较大时，工频电场强度随相对湿度的增大而呈指数级增加。因而高湿条件下外绝缘放电电压必然大幅度降低，与文中研究结果吻合。
3结论
1)在无凝露情况下，空气间隙放电电压随相对湿度的变化规律表现为：低湿条件下(80%以下)随着相对湿度的增加，间隙放电电压逐渐增加；高湿条件下(80%以上)随着相对湿度的增加，间隙放电电压减小，但高湿并不会造成放电电压严重降低。
2)电极表面有凝露时，ANSYS电场分析结果与人工气候室试验结果相一致：电极表面凝露会造成电极周围电场严重畸变，使间隙最大场强大幅增加，从而使间隙放电电压大幅降低，严重时可降低为正常值的一半。
3)建议加强高压电气设备电极的防凝露处理。凝露是高湿天气条件导致空气隙电场畸变的最重要的原因，高压电气设备出厂时，一般都已经经过防凝露处理，但长时间的运行后，防凝露功能逐渐减弱。凝露的产生，将极大的畸变原有电场，严重降低放电电压。
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